عندما يتعلق الأمر بأصولنا الكونية ، فقد تم تطوير عدد من النظريات على مدار التاريخ. حرفيًا ، كان لكل ثقافة موجودة على الإطلاق تقاليدها الأسطورية الخاصة ، والتي تضمنت بشكل طبيعي قصة إنشاء. مع ولادة التقليد العلمي ، بدأ العلماء في فهم الكون من حيث القوانين الفيزيائية التي يمكن اختبارها وإثباتها.
مع فجر عصر الفضاء ، بدأ العلماء باختبار النظريات الكونية من حيث الظواهر التي يمكن ملاحظتها. من كل هذا ، ظهر عدد من النظريات بحلول النصف الأخير من القرن العشرين والتي حاولت شرح كيفية ظهور كل المادة والقوانين الفيزيائية التي تحكمها. من هؤلاء ، نظرية الانفجار الكبير تظل فرضية الدولة المستقرة هي الأكثر قبولًا على نطاق واسع في حين كانت فرضية الدولة المستقرة تاريخيًا أكبر منافس لها.
ينص نموذج الحالة الثابتة على أن كثافة المادة في الكون الآخذ في الاتساع تظل دون تغيير بمرور الوقت بسبب الخلق المستمر للمادة. بعبارة أخرى ، يظل الكون المرئي بشكل أساسي كما هو بغض النظر عن الزمان أو المكان. هذا يضعها في تناقض حاد مع النظرية القائلة بأن غالبية المادة نشأت في حدث واحد (الانفجار العظيم) وهي تتوسع منذ ذلك الحين.
يوضح الرسم التوضيحي ثلاث خطوات استخدمها علماء الفلك لقياس معدل تمدد الكون (ثابت هابل). المصدر: NASA، ESA، A. Feild (STScI)، and A. Riess (STScI / JHU)
الأصول
في حين أن فكرة الكون المستقر وغير المتغير قد تم تبنيها عبر التاريخ ، إلا أن العلماء لم يبدأوا في تفسير ذلك من منظور الفيزياء الفلكية إلا في بداية العصر الحديث. كان أول مثال واضح على هذا الجدل في سياق علم الفلك وعلم الكونيات في إسحاق نيوتن 'س المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية (المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية) نُشر عام 1687.
في تأليف نيوتن العظيم ، تصور الكون خارج النظام الشمسي على أنه مساحة فارغة تمتد بشكل موحد في جميع الاتجاهات إلى مسافات لا حصر لها. وأوضح كذلك من خلال البراهين والملاحظات الرياضية أن جميع الحركات والديناميكيات في هذا النظام تم شرحها من خلال مبدأ واحد الجاذبية الكونية .
ومع ذلك ، فإن ما سيُعرف باسم فرضية الحالة الثابتة لم يظهر حتى أوائل القرن العشرين. هذا النموذج الكوني مستوحى من عدد من الاكتشافات ، وكذلك الاختراقات في مجال الفيزياء النظرية. وشملت هذه البرت اينشتاين 'س نظرية النسبية العامة و إدوين هابل ملاحظات أن الكون في حالة توسع.
صاغ أينشتاين هذه النظرية بحلول عام 1915 بعد أن قرر تمديد نظريته لـ النسبية الخاصة لدمج الجاذبية. في النهاية ، تنص هذه النظرية على أن قوة الجاذبية للمادة والطاقة تغير الانحناء بشكل مباشر من الزمكان حوله. أو كما لخصها الفيزيائي النظري الشهير جون ويلر ، 'الزمكان يخبر المادة كيف تتحرك. تخبر المادة الزمكان كيف ينحني '.
توضيح للعمق الذي صور به هابل المجرات في مبادرات المجال العميق السابقة ، في وحدات عصر الكون. الائتمان: ناسا وأ. فيلد (STScI)
بحلول عام 1917 ، أظهرت الحسابات النظرية المستندة إلى معادلات المجال لأينشتاين أن الكون يجب أن يكون إما في حالة توسع أو انكماش. بحلول عام 1929 ، كانت الملاحظات التي أدلى بها جورج ليميتر (الذي اقترح نظرية الانفجار العظيم) وإدوين هابل (باستخدام تلسكوب هوكر 100 بوصة في ال مرصد جبل ويلسون ) أظهر أن هذا الأخير كان هو الحال.
بناءً على هذه الاكتشافات ، بدأ النقاش بحلول الثلاثينيات من القرن الماضي حول الأصول المحتملة والطبيعة الحقيقية للكون. من ناحية ، كان هناك من أكد أن الكون محدود في العمر وتطور بمرور الوقت من خلال التبريد والتوسع وتشكيل الهياكل بسبب الانهيار الثقالي. أطلق فريد هويل على هذه النظرية اسمًا ساخرًا 'الانفجار العظيم' ، وظل الاسم ثابتًا.
في غضون ذلك ، تمسك غالبية علماء الفلك في ذلك الوقت بالنظرية القائلة بأنه بينما يتوسع الكون المرئي ، فإنه مع ذلك لا يتغير من حيث كثافة المادة. باختصار ، جادل مؤيدو هذه النظرية بأن الكون ليس له بداية ولا نهاية ، وأن هذه المادة تتشكل باستمرار بمرور الوقت - بمعدل ذرة هيدروجين واحدة لكل متر مكعب لكل 100 مليار سنة.
وسعت هذه النظرية أيضًا المبدأ الكوني لآينشتاين ، المعروف أيضًا باسم. الثابت الكوني (CC) ، الذي اقترحه أينشتاين في عام 1931. وفقًا لأينشتاين ، كانت هذه القوة مسؤولة عن 'كبح الجاذبية' والتأكد من بقاء الكون ثابتًا ومتجانسًا وخواص الخواص من حيث هيكله الواسع النطاق.
بتعديل هذا المبدأ وتوسيعه ، جادل أعضاء مدرسة الفكر الثابتة Steady State في أن الخلق المستمر للمادة هو الذي يضمن بقاء بنية الكون كما هي بمرور الوقت. يُعرف هذا أيضًا باسم المبدأ الكوني المثالي ، والذي يلغي فرضية الحالة الثابتة.
أصبحت نظرية الحالة المستقرة معروفة على نطاق واسع بحلول عام 1948 بنشر ورقتين: ' نموذج جديد لكون آخذ في التوسع 'بواسطة عالم الفلك الإنجليزي فريد هويل ، و' نظرية الحالة المستقرة والكون المتوسع 'من قبل فريق عالم الفيزياء الفلكية وعالم الكونيات البريطاني النمساوي المؤلف من هيرمان بوندي وتوماس جولد.
الحجج والتنبؤات الرئيسية
تشمل الحجج المؤيدة لفرضية الحالة الثابتة مشكلة المقياس الزمني الظاهرة التي أثارها المعدل المرصود للتوسع الكوني (المعروف أيضًا باسم. ثابت هابل أو قانون هابل-ليميتر). بناءً على ملاحظات هابل للمجرات القريبة ، فقد حسب أن الكون يتوسع بسرعة تتزايد بشكل منهجي مع المسافة.
أدى هذا إلى ظهور فكرة أن الكون بدأ في التوسع من مساحة أصغر بكثير. في حالة عدم وجود تسارع / تباطؤ - 500 كم / ث لكل ميجابارسك (310 ميلا في الثانية لكل Mpc) - يعني ثابت هابل أن كل المادة تتوسع لنحو 2 مليار سنة - وهو أيضًا العمر الأعلى للكون.
قد تبدو المادة والمادة المضادة وكأنها تبيد بعضهما البعض. الائتمان: NASA / CXC / M. وايس
تناقض هذا الاكتشاف مع التأريخ الإشعاعي ، حيث قاس العلماء معدل اضمحلال رواسب اليورانيوم 238 والبلوتونيوم 205 في عينات الصخور. باستخدام هذه الطريقة ، قُدرت أقدم عينات الصخور (التي كانت قمرية الأصل) بحوالي 4.6 مليار سنة. ظهر تناقض آخر نتيجة لنظرية التطور النجمي.
باختصار ، فإن معدل اندماج الهيدروجين في باطن النجوم (لتكوين الهيليوم) ينتج عنه تقدير عمر أعلى يبلغ 10 مليارات سنة للعناقيد الكروية - أقدم النجوم في المجرة. علاوة على ذلك ، لم يكن من الممكن حدوث تطور على مسافات بعيدة في هذا النموذج - مما يعني أن مصادر الراديو - الملقب. النجوم الزائفة أو نوى المجرة النشطة (AGNs) - ستكون موحدة في جميع أنحاء الكون.
قد يعني أيضًا أن ثابت هابل (كما تم حسابه في أوائل القرن العشرين) سيظل ثابتًا. تنبأ نموذج الحالة الثابتة أيضًا بأن الخلق المطرد للمادة المضادة والنيوترونات من شأنه أن يؤدي إلى إبادة منتظمة وانحلال النيوترونات ، مما يؤدي إلى وجود خلفية لأشعة غاما وغازات ساخنة للأشعة السينية في جميع أنحاء الكون.
الانفجار الكبير للفوز
ومع ذلك ، أدت الملاحظات المستمرة خلال الخمسينيات والستينيات بشكل مطرد إلى تراكم الأدلة ضد فرضية الحالة الثابتة. تضمنت هذه اكتشاف مصادر الراديو الساطعة (المعروفة أيضًا باسم الكوازارات والمجرات الراديوية) التي تم اكتشافها في المجرات البعيدة ولكن ليس المجرات الأقرب إلينا - مما يشير إلى أن العديد من المجرات أصبحت 'هادئة راديو' بمرور الوقت.
التقطت هذه الصورة الوحيدة التي تغطي السماء بالكامل ، والتي تم التقاطها بواسطة تلسكوب بلانك ، في وقت واحد لقطتين من CMB. الائتمان: ESA
بحلول عام 1961 ، دراسات استقصائية لمصادر الراديو سمح بإجراء تحليلات إحصائية ، والتي استبعدت إمكانية توزيع المجرات الراديوية الساطعة بشكل موحد. حجة رئيسية أخرى ضد فرضية الحالة الثابتة كانت اكتشاف الخلفية الكونية الميكروويف (CMB) في عام 1964 ، وهو ما تنبأ به نموذج الانفجار العظيم.
بالاقتران مع عدم وجود خلفية لأشعة غاما وانتشار سحب الغازات المنبعثة من الأشعة السينية ، أصبح نموذج الانفجار العظيم مقبولاً على نطاق واسع بحلول الستينيات. بحلول التسعينيات ، كانت الملاحظات مع تلسكوب هابل الفضائي واكتشفت مراصد أخرى أيضًا أن التوسع الكوني لم يكن ثابتًا بمرور الوقت. خلال الثلاثة مليارات سنة الماضية ، في الواقع ، كان يتسارع.
وقد أدى ذلك إلى إجراء العديد من التنقيحات على ثابت هابل. بناءً على البيانات التي تم جمعها بواسطة مسبار ويلكينسون تباين الميكروويف (WMAP) ، فإن معدل التوسع الكوني هو يقدر حاليا بين 70 و 73.8 كم / ثانية لكل Mpc (43.5 إلى 46 م / ث لكل Mpc) بهامش خطأ 3٪. هذه القيم أكثر اتساقًا مع الملاحظات التي تضع عمر الكون بحوالي 13.8 مليار سنة.
المتغيرات الحديثة
ابتداءً من عام 1993 ، بدأ فريد هويل وعالما الفيزياء الفلكية جيفري بوربيدج وجايانت في نارليكار بنشر سلسلة من الدراسات التي اقترحوا فيها نسخة جديدة من فرضية الحالة الثابتة. معروف ب فرضية شبه ثابتة (QSS) ، حاول هذا الاختلاف شرح الظواهر الكونية التي لم تفسرها النظرية القديمة.
يشير هذا النموذج إلى أن الكون هو نتيجة جيوب الخلق (المعروفة أيضًا باسم الانفجارات الصغيرة) التي حدثت على مدار عدة مليارات من السنين. تم تعديل هذا النموذج استجابةً للبيانات التي أظهرت كيفية تسارع معدل توسع الكون. على الرغم من هذه التعديلات ، لا يزال المجتمع الفلكي يعتبر الانفجار العظيم أفضل نموذج لشرح جميع الظواهر التي يمكن ملاحظتها.
اليوم ، يُعرف هذا النموذج بنموذج Lambda-Cold Dark Matter (LCDM) ، والذي يدمج النظريات الحالية حول Dark Matter و Dark Energy مع نظرية Big Bang. على الرغم من ذلك ، لا يزال بعض علماء الفيزياء الفلكية وعلماء الكونيات يدعو إلى فرضية الحالة الثابتة (ومتغيراتها). وهي ليست البديل الوحيد لـ Big Bang Cosmology ...
لقد كتبنا العديد من المقالات حول علم الكونيات هنا في Universe Today. هنا ما هو الكون و نظرية الانفجار العظيم: تطور كوننا و ما هي نظرية الكون المتذبذب؟ و ما هو ذا بيغ ريب؟ و ما هي نظرية الكون المتعدد؟ و ما هي نظرية الأوتار الفائقة؟ و ما هي الخلفية الكونية الميكروية؟ و الأزمة الكبرى: نهاية كوننا؟ و ما هو التجميد الكبير؟ ، و علم الكونيات 101: النهاية .
يلقي علم الفلك أيضًا بعض الحلقات الشيقة حول هذا الموضوع. هنا الحلقة 5: الانفجار الكبير والخلفية الكونية الميكروويف و الحلقة 6: المزيد من الأدلة على الانفجار العظيم و الحلقة 79 و الحلقة 187: تاريخ علم الفلك ، الجزء 5: القرن العشرين ، و Detective Conan الحلقة 499 مترجم قانون هابل-ليميتر المقترح؟ .
مصادر:
- ويكيبيديا - المبدأ الكوني
- ويكيبيديا - فرضية الحالة الثابتة
- أفكار علم الكونيات - الانفجار العظيم أم الحالة الثابتة؟
- موسوعة بريتانيكا - نظرية الحالة الثابتة
- علم الفلك والفيزياء الفلكية بجامعة كولومبيا البريطانية - قضايا أساسية في علم الكونيات
- ' نموذج جديد للكون الآخذ في الاتساع ، 'Hoyle ، F. MNRAS ، المجلد. 108 ، لا. 372 (1948)
- ' النماذج الكونية شبه المستقرة والحالة ذات الصلة: مراجعة تاريخية ، 'كراغ. ح.(2012)
- ' نظرية الحالة المستقرة للكون المتوسع ، 'MNRAS ، المجلد. 108 ، ص. 252 (1948)
- ' نظرية الحالة المستقرة لأينشتاين: نموذج مهجور للكون ، 'The European Physical Journal H ، vol. 39 ، ص. 353-367 (2014)
- ' نموذج كوني شبه ثابت مع خلق المادة ، 'هويل ، ف. بوربيدج ، جي ؛ Narlikar، J.V، Astrophysical Journal v. 410 ، ص. 437 (1993)